Un approccio efficace per eliminare la contaminazione microbica negli alimenti è rappresentato dallo sviluppo di nuovi materiali antimicrobici, sia tal quali sia con incorporati agenti antimicrobici che interagiscono con gli alimenti oppure con lo spazio di testa della confezione. Lo scopo finale è ovviamente quello di estendere il più possibile il tempo di conservazione dei prodotti alimentari, senza però comprometterne la qualità.
Sia l’argento puro sia i suoi composti sono usati da secoli come agenti antimicrobici. Essi sono noti per avere un’attività antimicrobica efficace contro molti ceppi di batteri, funghi e virus, oltre ad essere stabili a causa della loro bassa volatilità. Più recentemente, essi vengono incorporati nei materiali da imballaggio sotto forma di nanoparticelle d’argento. In generale, con il termine “nanoparticelle” si identificano gli aggregati atomici o molecolari con un diametro compreso fra 1 e 100 nm. Le dimensioni influenzano notevolmente le proprietà. Infatti al diminuire delle dimensioni, aumenta sia la mobilità delle sostanze sia il loro rapporto superficie-volume, che porta come conseguenza una maggiore attività antimicrobica.
Le nanoparticelle d’argento (AgNP) hanno già attirato molta attenzione per le loro proprietà particolari: infatti possono penetrare agevolmente nella membrana cellulare, alterando la permeabilità e la respirazione cellulare e causando seri danni cellule. Tuttavia, nel settore dei materiali da imballaggio alimentare restano ancora da affrontare molte sfide, occorre cioè:
- creare sistemi di rilascio lento degli antimicrobici, per garantire un’efficacia prolungata;
- minimizzare la tossicità degli agenti antimicrobici per l’uomo;
- ridurre gli agenti antimicrobici residui al fine di ridurre i rischi ambientali.
Queste 3 sfide sono state affrontate da ricercatori dell’Università del Maryland, Stati Uniti (L. Mei et al, Applied Materials & Interfaces 9, 2017, 35297 -35304), che hanno sviluppato un nuovo materiale di rivestimento antimicrobico per imballaggi alimentari a base di zeina con incorporati nanocluster di argento (AgNC) come agenti antimicrobici. Con il termine “nanoclusters” s’intendono aggregati più piccoli delle nanoparticelle, che comprendono al massimo una decina di atomi o di molecole e che hanno dimensioni solitamente inferiori ai 10 nm.
L’idea alla base di questo lavoro è che il miglioramento della potenza antimicrobica e l’ampliamento dello spettro dell’attività antimicrobica potessero essere ottenuti usando gli AgNC, che danno vantaggi unici come un elevato rapporto superficie-volume, un’alta concentrazione di Ag alla superficie degli aggregati e un’elevata mobilità. Si poteva prevedere che questi vantaggi potessero consentire il raggiungimento di una capacità antimicrobica molto superiore a quella ottenibile con le AgNP a parità di quantità di argento utilizzata; tuttavia, gli studi sull’utilizzo degli AgNC come antimicrobici per applicazioni alimentari erano fino ad allora molto limitati. La zeina è una proteina vegetale contenuta nei semi dei cereali e in particolare nel mais, che appartiene al gruppo delle prolammine. Le pellicole di zeina hanno una permeabilità al vapore acqueo molto inferiore rispetto a molti altri biomateriali, perché tre quarti dei residui di amminoacidi nella zeina sono idrofobi.
La zeina è un ingrediente alimentare generalmente riconosciuto come sicuro (Generally Recognized As Safe, GRAS); inoltre è già ampiamente utilizzata in forma di pellicole come materiale per l’imballaggio di alimenti ed è già stato messo a punto un materiale che incorpora lisozima come antimicrobico e timolo. Rispetto a questi antimicrobici biologici, le pellicole di zeina con incorporati AgNC inorganici possono offrire come vantaggi ulteriori un’elevata efficacia e una bassa volatilità. Gli AgNC con dimensioni ultraridotte sono stati sintetizzati a partire da nitrato d’argento, riducendo l’argento del sale nitrato ad argento metallico con riduttori chimici oppure mediante irraggiamento. Poiché gli AgNC tendono ad aggregarsi tra loro per ridurre la loro energia superficiale, la loro stabilità è stata aumentata con particolari stabilizzanti (come ad esempio l’acido polimetacrilico) oppure usando delle preforme (ad esempio dei polimeri).
Le pellicole di zeina con incorporati gli AgNC sono state preparate nel seguente modo: una miscela di nitrato d’argento e acido polimetacrilico in acqua deionizzata è stata esposta a luce ultravioletta A (UVA), proprio per ridurre l’argento presente nel nitrato ad argento metallico. Dopo 60 minuti di esposizione alla radiazione UVA, la soluzione ha acquisito un colore rosa, che è indice della formazione degli AgNC. La soluzione è stata quindi filtrata con sacchetti per dialisi per rimuovere gli ioni di argento non reagiti. La sintesi delle pellicole di zeina con incorporati gli AgNC è stata ottenuta a partire da 2 diverse soluzioni in etanolo, una contenente la zeina e l’altra contenente gli AgNC. Le 2 soluzioni sono state unite e la miscela risultante così ottenuta è stata usata per rivestire i materiali da imballaggio, mediante una semplice colatura.
Le attività antimicrobiche delle pellicole di zeina sono state confrontate in 2 diverse condizioni: con incorporati AgNC di diametro circa 2 nm e con incorporate nanoparticelle di nitrato d’argento oppure di argento metallico di diametri 10 e 60 nm (denominate perciò AgNP10 e AgNP60, rispettivamente). L’efficacia antimicrobica dei compositi d’argento è stata esaminata mediante la misurazione della curva di crescita per un ceppo patogeno di Escherichia coli O157: H, mentre il test di citotossicità è stato eseguito sulla linea cellulare umana HCT116. I risultati hanno mostrato per tutte le pellicole preparate una potente attività antimicrobica e una bassa tossicità per le cellule umane. Tuttavia, a concentrazioni di argento equivalenti, le pellicole con AgNC hanno mostrato attività antimicrobiche notevolmente superiori e citotossicità inferiori per le cellule umane, rispetto a quelle con AgNP10 e AgNP60. Questo risultato indica che la dose di AgNC usata per queste applicazioni può essere drasticamente ridotta rispetto a quella di AgNP.
In conclusione, è stato sviluppato un nuovo materiale di rivestimento con potente attività antimicrobica e bassa tossicità per le cellule umane. Questo nuovo materiale è stato ottenuto incorporando nanocluster di argento (AgNC) in pellicole di zeina. Il basso impatto ambientale e la bassa volatilità sono proprietà aggiuntive che rendono queste pellicole un materiale di rivestimento promettente per il confezionamento alimentare.
